JP5752365B2

JP5752365B2 - 発電システム

Info

Publication number: JP5752365B2
Application number: JP2010144065A
Authority: JP
Inventors: 充洋龍田; 征吾多久; 光弘川村; 山田　善司; 善司山田; 樋口　剛; 剛樋口
Original assignee: Nagasaki University; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Nagasaki University; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: JP2012010486A

Description

この発明は、発電システムに係り、特に、たとえば風車発電システムなどのように駆動力が変動する場合にも効率よく発電できるように二つの形式の発電機を組み合わせた発電システムに関する。

従来の風車発電システムなどにおいて、誘導発電機や永久磁石型同期発電機を用いることが知られている（特許文献１、特許文献２参照）。なお、永久磁石型同期発電機としては表面磁石型や埋め込み磁石型などのものが広く知られている。

特開平５−１５１９８号公報特開２００２−３４３００号公報

従来の永久磁石型同期発電機では、出力相当の容量をもつ体格の発電機が必要であり、容量を超える入力があった場合は停止せざるを得ない。また、永久磁石型同期発電機は、界磁に高価な永久磁石を数多く用いているために高価である。さらに、界磁（永久磁石）の起磁力が一定であるため、力率を発電機側で制御することができない。

一方、励磁巻線を持つ交流発電機では、励磁巻線に電流を流すための電源が必要である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、発電機への駆動入力が変動する場合にも全体で効率よく発電できる発電システムを提供することを目的とする。

この発明は上記目的を達成するものであって、固定されて第１の電機子巻線を備えた第１の電機子と、この第１の電機子に対向して第１の回転軸の周りに回転可能で複数の永久磁石を備えた第１の回転子と、を有して、前記第１の回転子が回転することによって前記第１の電機子巻線に交流が発生するように構成された永久磁石型同期発電機と、固定されて第２の電機子巻線を備えた第２の電機子と、前記第１の回転軸に機械的に連結された第２の回転軸の周りに前記第２の電機子内で回転可能な第２の回転子と、を有して、前記第２の電機子または第２の回転子に取り付けられた界磁巻線を備えて、前記第２の回転子が回転することによって前記第２の電機子巻線に交流が発生するように構成された巻線型誘導発電機と、前記第１の回転軸の回転力と前記第２の回転軸の回転力を互いに伝達する歯車であって、前記第１の回転軸の回転速度よりも前記第２の回転軸の回転速度が大きくなるように構成された歯車と、前記第１の電機子巻線に発生した交流を直流に変換する第１のコンバータ手段と、前記第１の電機子巻線に発生した交流の周波数を変換して前記界磁巻線に交流を供給する周波数変換手段と、前記第２の電機子巻線に発生した交流を直流に変換する第３のコンバータ手段と、前記第１のコンバータ手段から出力された直流を交流に変換する第１のインバータ手段と、前記第３のコンバータ手段から出力された直流を交流に変換する第２のインバータ手段と、前記第１および第２の回転軸を回転駆動する、駆動力が変動する駆動入力装置と、を有する発電システムである。

本発明によれば、発電機への駆動入力が変動する場合にも、発電システム全体で効率よく発電することができる。

本発明に係る発電システムの第１の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る発電システムの第２の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る発電システムの第３の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る発電システムの第４の実施形態を示すブロック図である。本発明に係る発電システムの第５の実施形態を示すブロック図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る発電システムの実施形態について説明する。

［第１の実施形態］
図１は第１の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。

永久磁石型同期発電機１１の回転軸（第１の回転軸）１２と、巻線型交流発電機の一種である巻線型同期発電機１３の回転軸（第２の回転軸）１４とが同軸上で直結されている。これらの回転軸１２、１４には、たとえば風車などの駆動入力装置５０が機械的に結合されている。

永久磁石型同期発電機１１としては、表面磁石型や埋め込み磁石型などのいずれでもよい。また、巻線型同期発電機１３としては、たとえばリラクタンス発電機でもよい。

永久磁石型同期発電機１１の固定子側には、第１の電機子巻線１５が巻かれた第１の電機子１６が配置されている。永久磁石型同期発電機１１の回転子（第１の回転子）１７は、永久磁石（図示せず）が取り付けられていて、回転軸１２とともに回転可能に支持されている。

巻線型同期発電機１３の固定子側には、第２の電機子巻線１８が巻かれた第２の電機子１９が配置されている。巻線型同期発電機１３の回転子（第２の回転子）２０は第２の電機子１９内で回転軸１４とともに回転可能に支持されている。第２の回転子２０には界磁巻線２１が巻かれている。なお、界磁巻線２１は固定子側に巻かれていてもよい。

永久磁石型同期発電機１１の第１の電機子巻線１５からは三相交流（ＡＣ）が出力され、その出力側は第１のコンバータ２２および第２のコンバータ２３に並列に入力されて、それらにより交流から直流（ＤＣ）に変換されるように接続されている。第１のコンバータ２２の出力側は第１のインバータ２４に入力されて、直流から三相交流に変換（逆変換）されるように接続されている。

第２のコンバータ２３の出力側は巻線型同期発電機１３の界磁巻線２１に接続されている。

巻線型同期発電機１３の第２の電機子巻線１８からは三相交流が出力されるので、その出力側は第３のコンバータ２５に入力されて交流から直流に変換されるように接続されている。第３のコンバータ２５の出力側は第２のインバータ２６に入力されて、直流から三相交流に変換（逆変換）されるように接続されている。

次に、この実施形態の動作について説明する。

駆動入力装置５０による駆動入力が十分に大きいときは、永久磁石型同期発電機１１によって発電された第１の電機子巻線１５からの三相交流の一部（大部分）は、第１のコンバータ２２によって直流に変換され、さらに、第１のインバータ２４によって三相交流に変換される。

さらに、第１の電機子巻線１５からの三相交流の一部は、第２のコンバータ２３によって直流に変換され、巻線型同期発電機１３の界磁巻線２１に供給される。これにより、巻線型同期発電機１３でも発電され、交流出力が第２の電機子巻線１８から第３のコンバータ２５に入力されて直流に変換され、さらに、第２のインバータ２６によって三相交流に変換される。

このように、駆動入力装置５０による駆動入力が十分に大きいときは、永久磁石型同期発電機１１と巻線型同期発電機１３の両方で発電されるので大きな交流電力出力を得ることができる。

また、このとき、第２のコンバータ２３を制御して界磁巻線２１に流れる電流を調整することにより、巻線型同期発電機１３の出力を変化させることができる。またこの場合、力率を制御することができる。

一方、駆動入力装置５０による駆動入力が小さいときは、永久磁石型同期発電機１１による発電は行なわれるが、第２のコンバータ２３からの直流出力が小さいことから、巻線型同期発電機１３での発電は行なわれず、巻線型同期発電機１３はフライホイールとして作用する。

たとえば、第２のコンバータ２３に、自動電圧調整機能を持たせて、永久磁石型同期発電機１１の第１の電機子巻線１５から得られる三相電流出力が低下して第２のコンバータ２３の直流出力電圧が所定値未満になるときに第２のコンバータ２３の直流出力を停止させるようにしてもよい。

以上説明したように、この実施形態によれば、駆動入力装置５０による駆動入力が大幅に変動する場合においても、高価な永久磁石を用いた永久磁石型同期発電機１１を常に有効に活用して発電を継続し、発電システム全体の効率的な活用が可能である。

［第２の実施形態］
図２は第２の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第２の実施形態は、第１の実施形態（図１）における第１のコンバータ２２と第３のコンバータ２５を第４のコンバータ６１で置き換え、第１のインバータ２４と第２のインバータ２６を第３のインバータ６２で置き換えたものである。第４のコンバータ６１は２種類の交流入力を受け入れて一つの直流に変換するものである。

この実施形態によれば、第１の実施形態に比べてコンバータおよびインバータの個数をそれぞれ１個ずつ減らすことができ、機器のコンパクト化とコストダウンを図ることができる。

［第３の実施形態］
図３は第３の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第３の実施形態は、第１の実施形態（図１）における第１のコンバータ２２と第２のコンバータ２３を第５のコンバータ６３で置き換えたものである。第５のコンバータ６３は一つの交流入力を受け入れて２種類の直流に変換するものである。

この実施形態によれば、第１の実施形態に比べてコンバータの個数を減らすことができ、機器のコンパクト化とコストダウンを図ることができる。

［第４の実施形態］
図４は第４の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第４の実施形態は、第１の実施形態（図１）における巻線型同期発電機１３を、他の巻線型交流発電機である巻線型誘導発電機７０で置き換え、第２のコンバータ２３を周波数変換器７１で置き換え、さらに、第１の回転軸１２と第２の回転軸１４の間に歯車７２を介在させたものである。歯車７２は、第１の回転軸１２の回転数が第２の回転軸１４の回転数よりも小さくなるように設定されている。なお、この実施形態では、「第２のコンバータ」は存在しない。

周波数変換器７１は、交流を直流に変換し、さらにその直流を交流に変換するものであって、元の交流と異なる周波数の交流を得ることができるものである。

永久磁石型同期発電機１１の第１の電機子巻線１５からは三相交流が出力され、その出力は第１のコンバータ２２および周波数変換器７１入力される。第１のコンバータ２２の出力は第１のインバータ２４に入力されて、直流から三相交流に変換（逆変換）される。

周波数変換器７１の出力は巻線型誘導発電機７０の界磁巻線２１に入力される。

巻線型誘導発電機７０の第２の電機子巻線１８からは三相交流が出力され、その出力は第３のコンバータ２５に入力されて交流から直流に変換される。第３のコンバータ２５の出力は第２のインバータ２６に入力されて、直流から三相交流に変換（逆変換）される。

さらに、第１の電機子巻線１５からの三相交流の一部は、周波数変換器７１によって周波数変換され、巻線型誘導発電機７０の界磁巻線２１に供給される。これにより、巻線型誘導発電機７０でも発電され、交流出力が第２の電機子巻線１８から第３のコンバータ２５に入力されて直流に変換され、さらに、第２のインバータ２６によって三相交流に変換される。

このように、駆動入力装置５０による駆動入力が十分に大きいときは、永久磁石型同期発電機１１と巻線型誘導発電機７０の両方で発電されるので大きな交流電力出力を得ることができる。

また、このとき、周波数変換器７１を制御して界磁巻線２１に流れる電流を調整することにより、巻線型誘導発電機７０の出力を変化させることができる。

一方、駆動入力装置５０による駆動入力が小さいときは、永久磁石型同期発電機１１による発電は行なわれるが、周波数変換器７１からの直流出力が小さいことから、巻線型誘導発電機７０での発電は行なわれず、巻線型誘導発電機７０はフライホイールとして作用する。

なお、通常の設計では、永久磁石型同期発電機１１よりも巻線型誘導発電機７０の回転数を高くした方が効率よく運転できるので、これらの回転軸１２、１４を、歯車７２を介して接続し、異なる回転数で運転できるようにすることが好ましい。

以上説明したように、この実施形態によれば上述の他の実施形態と同様に、駆動入力装置５０による駆動入力が大幅に変動する場合においても、高価な永久磁石を用いた永久磁石型同期発電機１１を常に有効に活用して発電を継続し、発電システム全体の効率的な活用が可能である。

［第５の実施形態］
図５は第５の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。ここで、第４の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。この第５の実施形態は、第４の実施形態（図４）における第１のコンバータ２２と第３のコンバータ２５を第４のコンバータ６１で置き換え、第１のインバータ２４と第２のインバータ２６を第３のインバータ６２で置き換えたものである。このような置き換えは、第１の実施形態と第２の実施形態の関係と同様である。

この実施形態によれば、第４の実施形態に比べてコンバータおよびインバータの個数をそれぞれ１個ずつ減らすことができ、機器のコンパクト化とコストダウンを図ることができる。

［他の実施形態］
以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。

たとえば、第２の実施形態（図２）の二つのコンバータ２３、６１をさらに一つのコンバータで置き換えることも可能である。それにより、さらにコンバータの個数を減らすことができ、機器のコンパクト化とコストダウンを図ることができる。

また、上記各実施形態において、駆動入力装置５０は、風車に限らず、回転駆動力を生じる他の動力機械であってもよい。

また、第４および第５の実施形態では、歯車７２を介して二つの回転軸１２、１４を機械的に連結するものであるが、二つの回転軸１２、１４の回転数を合致させることができる場合は、歯車を用いずに、フランジなどによって二つの回転軸１２、１４を互いに固定してもよい。逆に、第１ないし第３の実施形態で、歯車７２を介して二つの回転軸１２、１４を機械的に連結するものとしてもよい。

また、上記各実施形態では、固定子が外側にあり、回転子が内側にあるものとしたが、逆の配置もありうる。

さらに、上記説明の中で、三相交流として説明したものは、単相交流に置き換えることも可能である。

１１永久磁石型同期発電機
１２第１の回転軸
１３巻線型同期発電機
１４第２の回転軸
１５第１の電機子巻線
１６第１の電機子
１７第１の回転子
１８第２の電機子巻線
１９第２の電機子
２０第２の回転子
２１界磁巻線
２２第１のコンバータ
２３第２のコンバータ
２４第１のインバータ
２５第３のコンバータ
２６第２のインバータ
５０駆動入力装置
６１第４のコンバータ
６２第３のインバータ
６３第５のコンバータ
７０巻線型誘導発電機
７１周波数変換器
７２歯車

Claims

固定されて第１の電機子巻線を備えた第１の電機子と、この第１の電機子に対向して第１の回転軸の周りに回転可能で複数の永久磁石を備えた第１の回転子と、を有して、前記第１の回転子が回転することによって前記第１の電機子巻線に交流が発生するように構成された永久磁石型同期発電機と、
固定されて第２の電機子巻線を備えた第２の電機子と、前記第１の回転軸に機械的に連結された第２の回転軸の周りに前記第２の電機子内で回転可能な第２の回転子と、を有して、前記第２の電機子または第２の回転子に取り付けられた界磁巻線を備えて、前記第２の回転子が回転することによって前記第２の電機子巻線に交流が発生するように構成された巻線型誘導発電機と、
前記第１の回転軸の回転力と前記第２の回転軸の回転力を互いに伝達する歯車であって、前記第１の回転軸の回転速度よりも前記第２の回転軸の回転速度が大きくなるように構成された歯車と、
前記第１の電機子巻線に発生した交流を直流に変換する第１のコンバータ手段と、
前記第１の電機子巻線に発生した交流の周波数を変換して前記界磁巻線に交流を供給する周波数変換手段と、
前記第２の電機子巻線に発生した交流を直流に変換する第３のコンバータ手段と、
前記第１のコンバータ手段から出力された直流を交流に変換する第１のインバータ手段と、
前記第３のコンバータ手段から出力された直流を交流に変換する第２のインバータ手段と、
前記第１および第２の回転軸を回転駆動する、駆動力が変動する駆動入力装置と、
を有する発電システム。
前記第１および第３のコンバータ手段が一つのコンバータによって実現されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
前記第１および第２のインバータ手段が一つのインバータによって実現されるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電システム。